固定海洋信息裝備技術研究

王冬海，戴 磊，周鎮宇

(中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

世界格局調整持續深化，打造先進級的海洋網絡信息體系，已成為支撐國家海洋戰略發展的重要手段，固定海洋信息裝備是構建海洋網絡信息體系的重要基礎。伴隨海洋工程、電子信息等相關技術的快速發展，多樣化的海洋信息裝備不斷涌現，逐步驗證了海洋信息裝備工作機理及綜合服務能力，但實踐中仍存在綜合搭載能力較弱、長期有效服務能力不足、擴展性和通用性不強等問題，難以應對各類用戶日趨多樣化、綜合化的業務需求。本文在綜合論述海洋信息裝備發展現狀和問題的基礎上，探討了海洋固定信息裝備的技術發展趨勢，設計了一種高穩性、可靈活部署的浮式海洋網絡信息節點，可作為海上信息基礎設施的重要支點。

1 國內外研究現狀

海洋信息裝備主要是指海洋信息感知、傳送、處理、存儲、應用、管控、服務、保障的信息裝備和輔助裝備，科技含量高，具有高投入、高附加值、高風險的特點，是海洋安全的基石，產業輻射能力強，對國民經濟帶動作用大。以獲取海洋基礎信息數據為目的，采用必要的信息感知、信息傳送、信息融合等技術手段，在海洋實體平臺上實現海洋信息的物化表達；按照信息獲取手段、海上平臺屬性，可以進行不同標準的分類，從海洋平臺的能動性進行劃分，可以分為固定海洋信息裝備、機動海洋信息裝備和海洋信息服務裝備，本文著重講述固定海洋信息裝備。國內外在海上信息裝備上已經開展了幾十年的的研究應用，已形成部分成熟產品，但主要研究工作仍聚焦在用于感知設備搭載的海洋信息裝備研究。目前，固定海洋信息裝備按照搭載裝備形態劃分，可以分為浮標型、船載型和平臺型[1]。

1.1 浮標型固定海洋信息裝備

浮標型固定海洋信息裝備具有結構簡單、部署靈活、海域適應性強、功耗與成本不高以及適合大量部署等特點，在環境要素的綜合采集方面應用最為廣泛[2]。

海洋浮標在結構上通常是小型的系留平臺，但較大的海洋浮標平臺直徑也可超過10 m，在供電方面一般采用太陽能及蓄電池，可對采集數據進行近實時傳輸，具有較小體量的設備搭載能力。如美國NOAA研制的系列浮標，其平臺直徑在1.5～12.0 m，可以實現對多海洋信息感知傳感器的綜合搭載[3]；美國伍茲霍爾研究所設計的水下剖面信息測量浮標[4]，可實現對6 000 m水深以內的剖面流速和水文資料觀測；挪威OCEANOR公司設計的海上風剖面浮標SEAWATCH Wind LiDAR，可以搭載激光雷達測風[5]；美國NOAA的海嘯浮標DART，能夠實現5 000 m水深以下海域的海嘯信息測量[6]；荷蘭Datawell公司設計的波浪浮標——波浪騎士[7]，可以實現持續3年的自主波浪測量。我國在通用型浮標方面也開展了大量工作，其中，國家海洋局研制的白龍浮標，可以觀測海表相對濕度、雨量、氣溫、氣壓、風速風向、長波及短波輻射等氣象及環境要素，還可采集海洋表層至深層海水溫度、鹽度、海流及溶解氧等重要海洋參數，最大部署深度也能夠達到7 000 m[8]；中科院研制的深海多參數實時傳輸浮標，集成了氣象、剖面海流及剖面溫鹽等諸多傳感器，可以近實時地獲取海面氣象、水文等資料[9]。

通用型的系留浮標由于技術成熟度不斷提高，致使其研制成本低、可靠性及推廣性較強，目前應用部署已較為廣泛，但受到結構尺寸、供電能力等制約，連續工作能力普遍不足，后期維修維護成本高，難以滿足日趨多樣化、綜合化的海洋網絡信息體系業務發展需求。

1.2 船載型海洋信息裝備

船載型海洋信息裝備主要依托船舶平臺作為任務電子信息系統的載體。該類裝備具有良好的機動性，可以對目標海域進行大范圍的海域調研。同時，其搭載空間和供電能力也能夠滿足大部分海洋觀測設備的搭載。

目前，國外已經建有大量的船載型海洋平臺電子信息系統裝備，比如，較為先進的有美國BruceC.Heeze號綜合調查船，船上裝備12 000 m海深測深儀、CTD、多波束、淺地層剖面儀、磁力儀、ADCP、聲速系統以及海洋表面溫度測量系統等，能夠滿足開展海洋物理、化學、地磁、水文、地震及聲學等多種學科的海洋綜合調查；日本水產綜合研究中心的“陽光丸”漁業調查船總重991 000 kg，航速13節，續航力5 760 n mile[10]；美國“Marcus G.Langseth”海底地質調查船，安裝了Syntrak 960-24地震記錄系統和氣動生源陣列拖曳系統等，具有全面的地球物理學和地質地震探索能力[11]；美國海岸警衛隊的“北極星”號極地調查船，具備功能先進的破冰和抗橫傾系統，可以實現冰區的研究和保障[12]。

我國在船載海洋平臺電子信息系統方面也開展了大量的工作。其中，中科院的“科學”號調查船是我國目前最大的綜合科考船[13]，安裝了自動氣象站、萬米測深儀、ADCP、雙頻回聲測深儀等儀器以及輔助設備，船上還設置地震實驗室、地貌實驗室、磁力實驗室、氣象實驗室、干濕實驗室以及重力實驗室等；我國自行設計建造的“海洋六號”地質調查船，配有4 000 m級深海水下機器人、深水多波束測深系統、深水淺地層剖面系統、長排列大容量高分辨率地震采集系統等多種高科技調查設備[14]；中科院南海所“實驗1號”調查船是我國第一艘以水聲調查為主的科研船，長60.9 m，滿足DNVsilent-a級噪聲要求，船舶搭載有舷側水聽陣，可用于監測水下的目標。

船載型海洋平臺電子信息系統，一般具有較為出色的搭載能力、機動能力和環境適應能力，但由于其裝備建造和運營均具有很高的成本，裝備的經濟性不高，而且不適宜在特定區域開展長期持續觀測。

1.3 平臺型海洋信息裝備

在浮標型和船載型裝備以外，依托島礁平臺、海油平臺等海洋固定式或浮動式平臺上搭載海洋電子信息系統也成為一種重要裝備形式。海洋平臺通常結構尺寸較大，具有足夠的部署空間和能源供應，可支撐搭載的海洋儀器持續工作。比較有代表性的有韓國在蘇巖礁建造的海洋平臺，該平臺利用風能、太陽能和油機供電，其上搭載衛通、雷達、氣象設備等海洋儀器[15]；美國的?；鵛波段雷達系統采用海洋平臺改建，搭載了SBX雷達，對空探測距離達4 800 km，同時搭載了大量的海面探測設備，可以對所在海域的綜合信息進行探測[16]；唐山航島海洋重工有限公司設計的桁架式超大型海上平臺“航島”，是長300 m、有1×108kg排水量的海上超大型浮式平臺，可以為海洋觀測裝備提供充足的搭載環境和搭載條件。平臺型海洋裝備一般能夠為任務電子系統提供充足搭載空間和保障能力，可以在海況惡劣海域長期定位觀測，但是其造價和維護成本過高，難以大范圍推廣。

1.4 存在問題分析

總體而言，我國近海海域的海上固定信息裝備多以小型浮標為主，節點搭載能力差、監測能力低、監測范圍小、能源供應有限，難以應用于中遠海域布放、大載荷搭載以及長期持續的監視應用，難以適用海上多用戶的業務發展及使用要求；而對于船載和平臺型裝備，其搭載能力和供電能力均滿足大量設備的搭載需求，但考慮其造價與維護成本高昂，無法實現大范圍的推廣使用。各類裝備特點如表1所示。

表1 現有海洋信息裝備特點分析

面向網絡信息體系綜合業務發展支撐需求，急需發展一型適應惡劣海洋環境、能源及通信保障能力強、具備綜合搭載能力的海洋平臺信息裝備作為海洋網絡信息體系的核心節點，通過節點間的信息組網破解海洋網絡信息體系發展瓶頸。該型海洋平臺信息裝備應具備抗海洋復雜環境的高穩定平臺基礎、多能互補智能供電保障以及集感傳用管一體化的綜合電子信息支撐等能力。

2 海洋信息裝備技術發展趨勢分析

海洋信息裝備涉及的技術主要包括海上聯合感知技術、組網技術、海洋信息服務技術及相關海洋工程、平臺和能源技術。隨著全球對海洋信息產業發展關注度的提高，利用新興技術促進海上組網技術和信息服務技術的發展必將成為不可逆轉的趨勢。以下重點介紹海洋組網技術和海洋信息服務技術。

2.1 海洋組網技術

類似目前陸基信息網絡發展趨勢，海洋信息網絡技術發展也將向多維組網、寬帶組網、智能組網方向發展。

2.1.1 天空岸海潛一體化組網技術

海洋網絡信息體系面對全球部署的戰略要求，還存在不少現實問題，如網絡覆蓋區域有限、未實現天地一體化組網、關鍵時刻響應慢、難以保障涉海用戶的應用需求、應急服務能力跟不上等。為此，亟需吸納各種網絡發展的優勢，利用多維組網技術，構建天空岸海潛一體化的綜合信息網絡。

目前，天基信息網絡技術發展迅速，近期，國內高通量(Ka，中星16)、大S紛紛投入使用，國外星鏈、OneWeb等已發低軌Ka衛星。從長期發展趨勢看，伴隨發射成本(SpaceX的可回收火箭)、衛星成本(皮納星)大幅降低，低軌小衛星的商業化運營可行性大幅提高，全球覆蓋的普惠性通信基礎設施建設及商業運營已成為可能。伴隨低軌衛星、高通量衛星、皮納星等技術的快速發展，天基信息網絡基礎設施建設競爭正進入全新的階段。

以臨近空間長航時無人機和平流層飛艇作為平臺，在海上信息覆蓋范圍內，其組網能力將達到數千兆字節,對多用戶的寬帶通信將起到有效的保障，特別是在海上執行大型任務時，其通信作用將會異常突出。谷歌、facebook也在積極探索浮空氣球及長航時無人機通信服務，其中，谷歌氣球已孵化成功，facebook長航時無人機項目已宣告失敗。總體而言，目前臨空平臺組網尚在研究階段。

2.1.2 新一代超寬帶信息網絡技術

針對不斷增長的數據業務與視頻業務的寬帶信息傳送要求，應利用寬帶衛星通信鏈路、微波級聯組網手段、超短波寬帶通信手段以及散射通信手段等綜合組網，快速構建成新一代海上寬帶信息網絡，解決寬帶信息業務傳送和應急信息傳送業務的急需。

2.1.3 海上機固結合組網技術

海上無人機動裝備集群發展是當前海洋信息裝備技術發展的熱點，美軍已計劃逐步以海上無人系統替代人類士兵。伴隨海洋網絡信息體系建設發展，水面自主艇信息系統、水下機動浮標系統、機器魚、水下滑翔器等無人系統集群大量涌現，發展海上無人機動集群組網技術已經迫在眉睫。為此，應依托海上固定信息節點平臺和機動船舶平臺的信息裝備，構建跨介質的海上機動通信網絡，包括利用下一代AIS(VDES通信網)、窄帶物聯網(NBIOT)等技術，提升動態組網能力，為海洋網絡信息體系的能力延伸提供支持。

2.1.4 基于認知的智能化組網技術

針對海上復雜環境下信息系統容量、實時性、可靠性等要求，必然會推進基于軟件無線電和認知無線電的探通抗一體化組網技術、基于新型組網架構的泛在網絡技術、基于空間激光和水下信息網絡的發展，完善基于認知和智能化組網，開辟新一代軟件定義的海洋信息網絡發展途徑。

2.2 海洋信息服務技術

正如人類社會信息化體系建設的演化趨勢一樣，海洋信息服務技術也必將采用新興技術方法，向下一代基于大數據分析服務、面向認知和智能處理、彈性適變與賽博免疫、人機融合與自主演化等趨勢發展。

(1) 基于大數據分析服務

基于海量的海洋大數據分析，可以為涉海用戶提供面向海洋的各類行動的決策優勢；同時，利用泛在網絡上提供的普適計算能力，可以向涉海用戶提供在任何時間地點以任何方式進行信息獲取與處理的能力。

(2) 面向認知和智能處理

利用深度學習等方法，將大量、冗余、繁雜的海洋數據與信息進行融合處理，為涉海用戶提供所需的、符合認知特點和行為偏好的態勢信息或決策支持說明，并通過智能處理方式進行優化和驗證，自動生成行動方案。

(3) 彈性適變與賽博免疫

為了應對賽博攻擊和物理毀傷，避免海洋信息網絡整體崩潰，應利用彈性適變和賽博免疫智能分析預測系統異常，自主進行網絡免疫防御、能力恢復與系統重構，通過對服務、網絡和系統架構的適應性調整，為用戶提供持續性安全服務。

(4) 人機融合與自主演化

通過更合理的人機分工，充分發揮人與海洋信息網絡各自的優勢，實現人在回路的混合增強智能與人機智能共生。通過海洋信息網絡應用樣本數據的學習，提升自學習和自演化能力，實現海洋信息網絡能力的自主升級演化。

(5) 海洋邊緣計算技術

針對海洋通信帶寬資源不足、服務時延過長等問題，運用邊緣計算技術，構建海上網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務，產生更快的網絡服務響應。

3 浮式海洋網絡信息節點設計

3.1 綜合能力設計

面向綜合業務支撐發展需求，浮式海洋網絡信息節點的主要能力如圖1所示。

圖1 浮式海洋網絡信息節點功能視圖Fig.1 Function view of floating marine network information node

其中，在目標感知方面，浮式海洋網絡信息節點具備搭載多類型感知裝備能力，如：雷達、光電、AIS、ADS-B以及氣象傳感器等，具備對海面目標和空中目標的監視能力，并且具備對近距離目標的監視識別能力；在環境監測方面，系統可對浮臺周邊的氣象、水文等環境要素進行綜合采集；在信息傳輸方面，系統具備衛通、散射等多種通信手段保障岸海數據傳輸，并可根據不同信道狀態和所傳數據類型實時調整數據傳輸策略；在信息處理方面，系統可對系統內、外的各類數據信息進行匯聚處理和初步融合；在信息服務方面，系統可向附近海域用戶提供公眾移動通信服務、鏡像網站訪問服務以及航道信息服務；在綜合管控方面，系統可探測目標情況、設備運行狀態、天氣情況、能源情況、安防報警情況與通信信道情況進行系統和設備的運行狀態調整以及多設備聯動工作，還可接收岸基中心指令，進行系統和設備運行狀態調整；在安全防護方面，系統可對浮式海洋網絡信息節點艙門開關狀態、艙內人員活動情況、艙內溫度、艙內煙霧濃度、艙體內液面高度、浮式海洋網絡信息節點坐標位置以及錨燈供電電流脈沖情況等方面進行監測，并接收數據處理系統的指令進行廣播示警和強聲拒止；在能源保障方面，系統配有太陽能電池板、船載柴油發電機以及蓄電池等電源，可通過互補供電實現能源自保障。

3.2 電子系統設計

根據任務和功能要求，浮式海洋網絡信息節點信息系統由任務分系統、能源分系統和平臺分系統組成，系統架構設計如圖2所示。

圖2 浮式海洋網絡信息節點系統架構圖Fig.2 Architecture diagram of floating marine network information node system

其中，任務分系統主要由傳感器網絡、核心處理設備、通信鏈路以及信息服務設備四部分組成，實現了目標監測、電磁環境監測、海洋環境觀測、信息服務、數據匯聚處理以及信息傳送等浮式海洋網絡信息節點信息系統主要功能。目標監測、電磁環境監測實現對浮臺周邊視距范圍的活動目標、電磁目標的探測、識別和監視，并把獲得的目標信息數據上報給數據匯聚處理設備和岸基中心，主要用于浮臺周邊防御。而海洋環境觀測分系統用于實現對浮臺周邊溫度、濕度等環境情況的監控。信息傳送采用衛星通信、短波通信以及北斗短信等多種通信手段把浮式海洋網絡信息節點信息系統的各節點連接到岸基，任務電子系統可根據當前的通信鏈路的狀態采用自動或手動的方式進行切換。同時可通過集成的4G基站為接近的船只或人員提供公用信息和通信接入服務。

能源分系統在沒有外部供電的情況下，可通過太陽能、柴油發電機和蓄電池多種供電結合的方法進行供電，可提供DC12 V、DC24 V、DC48 V、AC220 V電壓輸出，并由獨立的能源分系統對各種電源進行統一控制和管理。該分系統主要功能包括：多種電源綜合使用、綜合電源控制管理、太陽能電池板效率控制、蓄電池充放電管理和應急保障功能。浮臺能源分系統可根據上級管控指令或系統剩余電量進行全任務、值班、降級及休眠等工作模式切換。

平臺分系統是浮式海洋網絡信息節點信息系統的搭載載體，由浮體和錨泊系統兩部分構成。浮體部分為任務系統和能源系統提供足夠的搭載空間，用于支撐全套系統在復雜、惡劣的海況下持續、穩定的工作；系泊系統用于浮體部分的限位，采用單點系泊形式，既可以保證浮體在海洋環境荷載作用下的平面運動和姿態響應能夠滿足結構安全和任務系統應用需求，又降低了浮臺布放施工的難度，提高了浮臺的全海域適應能力。

3.3 平臺結構設計

浮式海洋網絡信息節點是一種基于半潛式概念設計的海上浮動式平臺，將結構重心設計低于結構浮心，同時整體結構采用水密性設計，保證浮臺具有極高的穩性，適宜電子信息裝備搭載。結構物理形態和主體尺寸如圖3所示。

圖3 浮式海洋網絡信息節點結構尺寸圖(單位：mm)Fig.3 Structural dimension diagram of floating marine network information node(mm)

利用仿真軟件對水動力進行分析，0°來流時橫搖角度很小，且86.09%的時間中縱搖角度小于10°；45°來流時橫搖角度較小，且78.58%的時間中縱搖角度小于10°,適用于具有較高穩性需求的電子信息系統。

(a) 0°來流下橫搖結果

4 結論

建設國際領先的海洋網絡信息體系，是支撐我國海洋戰略發展的迫切要求，固定海洋信息裝備是構建海洋信息基礎設施的重要基礎。當前，各類海洋信息裝備的建設已逐步驗證其工作機理及綜合服務能力，但也存在海洋平臺電子信息系統搭載能力不強、綜合集成度不高、長期工作能力不足、擴展性及通用性受限等問題，難以適應在網絡信息體系支撐下的各類用戶多樣化的應用服務需求。為此，在對主流的海上信息裝備發展現狀進行綜合調研的基礎上，探討了未來海洋固定信息裝備發展趨勢，設計了一種可全海域部署、惡劣環境下能夠工作、長期穩定的、可用于多種海洋電子信息裝備搭載的浮式海洋網絡信息節點。